IT202200001085A1 - Applicazioni di un elemento a micro ugelli - Google Patents

Description

Domanda di brevetto per invenzione industriale dal titolo

?Applicazioni di un elemento a micro ugelli?

DESCRIZIONE CAMPO TECNICO

La presente invenzione si colloca nel campo delle possibili applicazioni di un elemento anulare con micro ugelli. In particolare la presente invenzione ? relativa ai diversi possibili impieghi di un detto elemento anulare dotato di un numero elevato di ugelli di dimensioni molto ridotte.

Pi? nel dettaglio, la soluzione qui proposta prevede l?impiego dell?elemento anulare con micro ugelli e di due flange di contenimento in modo da realizzare un elemento miscelatore atto a essere usato come componente di uno scambiatore di calore migliorando le prestazioni e l?efficienza dello scambiatore stesso, la presente invenzione essendo relativa a uno scambiatore di calore equipaggiato con un detto elemento miscelatore.

STATO DELLA TECNICA NOTA

Il brevetto IT102018000007430 descrive una macchina per la generazione di energia mediante sfruttamento del flusso di un fluido, detta macchina essendo comprensiva di uno statore e di un rotore alloggiato all?interno del detto statore, laddove il rotore ? messo in rotazione per mezzo del detto fluido immesso attraverso il detto statore, e laddove il flusso di fluido che colpisce il rotore ? distribuito praticamente senza soluzione di continuit? lungo tutta la zona di confine tra statore e rotore.

In particolare, lo statore della macchina nota di cui sopra ? realizzabile secondo modalit? semplici e immediate e a costi contenuti, e ? inoltre caratterizzato da elevata e migliorata riproducibilit? in termini sia delle dimensioni complessive dello statore stesso, che in termini delle dimensioni e/o distanze reciproche e/o conformazione dei fori o ugelli.

Tale statore, che configura un elemento anulare ?poroso? con le caratteristiche desiderate, pu? essere infatti ottenuto mediante la tecnologia ?additiva? che prevede di sovrapporre elementi sostanzialmente identici preventivamente lavorati.

Gli elementi sostanzialmente identici da sovrapporre, possono infatti essere lavorati preventivamente mediante tecnologie a basso costo, quali l?attacco chimico o la fotoincisione chimica di metalli (ovvero procedimenti di chemical-etch), che garantiscono lavorazioni di piccolissime dimensioni con la massima precisione in modo rapido ed economico.

Sono noti nello stato della tecnica scambiatori di calore di diversi tipi, laddove peraltro gli scambiatori di calore di tipo noto presentano il problema superato per mezzo della presente invenzione che un efficace scambio di calore necessita di una grande superficie di scambio. Per superare questo problema diverse soluzioni sono state proposte essenzialmente basate sulla generazione di turbolenza allo scopo di aumentare il fattore di scambio, laddove peraltro dette soluzioni comportano a loro volta problemi piuttosto gravi in quanto aumentano le perdite di carico dei fluidi, laddove spesso dette perdite di carico sono spesso incompatibili con le esigenze pratiche a causa dell'esigua differenza di pressione disponibile (ad esempio nei camini e ciminiere).

DESCRIZIONE DELLA PRESENTE INVENZIONE

Lo scopo principale della presente invenzione ? quello di realizzare un componente comprensivo del detto elemento anulare con micro ugelli di tipo noto, laddove detto componente sia atto a essere utilizzato per scopi diversi da quello della generazione di energia mediante sfruttamento di un flusso di fluido (come nel caso delle macchine dinamiche a fluido o turbine) , ma al contrario sia atto (ad esempio ma non esclusivamente) a miscelare in modo efficace due fluidi, ad esempio un combustibile e un comburente, e laddove quindi il detto componente sia utilizzabile come parte innovativa di uno scambiatore di calore.

La presente invenzione scaturisce infatti dall?intuizione degli inventori che l?elemento anulare con micro ugelli descritto nel documento IT102018000007430, se abbinato in modo innovativo e non ovvio ad altri componenti altrettanto innovativi e non ovvi, possa essere utilizzato anche per applicazioni diverse da quelle descritte nel documento IT102018000007430.

In particolare, l?intuizione degli inventori ha portato alla realizzazione di un componente innovativo in cui uno o due o pi? elementi anulari con micro ugelli sono opportunamente alloggiati tra una coppia di flange a configurare un elemento miscelatore per due fluidi (combustibile e comburente) atto a essere utilizzato come componente di uno scambiatore di calore.

La presente invenzione ? inoltre basata sulla considerazione confermata da dati sperimentali, che i problemi riscontrati negli scambiatori di calore secondo l?arte nota possono essere superati aumentando il fattore di scambio non tanto generando turbolenza, ma piuttosto aumentando la velocit? del fluido (miscela di combustibile e comburente). Infatti, secondo una ulteriore considerazione alla base della presente invenzione, una direzione del flusso della miscela sostanzialmente perpendicolare all'asse del tubo che costituisce lo scambiatore, costringe la miscela a percorrere una traiettoria elicoidale al suo interno, ci? che porta a due grossi vantaggi: data la traiettoria curva ? presente una forza centrifuga che schiaccia la miscela sulla superficie interna del condotto e ci? migliora il contatto e quindi lo scambio termico; inoltre la traiettoria elicoidale permette di ottenere un cammino molto lungo della miscela che quindi ha lo spazio per poter ottenere uno scambio di calore ottimale anche se il suo moto non ? turbolento.

La presente invenzione ha quindi per oggetto uno scambiatore di calore secondo la rivendicazione 1 atto a essere alimentato con un comburente e un combustibile, a generare una fiamma mediante combustione del detto combustibile, e a cedere a un fluido il calore generato da detta fiamma.

Ulteriori forme di realizzazione dello scambiatore di calore secondo la presente invenzione sono definite dalle rivendicazioni dipendenti.

In particolare, secondo una forma di realizzazione, lo scambiatore di calore comprende di un elemento miscelatore atto a miscelare almeno un fluido combustibile e un fluido comburente, laddove dal fatto che detto elemento miscelatore comprende un primo elemento anulare a micro ugelli formato da una pluralit? di elementi lamellari sovrapposti a definire una pluralit? di passaggi tra due elementi lamellari adiacenti, ogni elemento lamellare essendo delimitato nel senso dello spessore da due superfici parallele, laddove ognuno di detti elementi lamellari comprende una pluralit? di sporgenze che si estendono da una di dette due superfici parallele e sono disposte con regolarit? in successione lungo lo sviluppo dell?elemento, in modo che tra due elementi lamellari adiacenti siano identificabili N-1 passaggi per l?immissione di detto fluido combustibile nello spazio interno definito dal detto primo elemento lamellare a micro ugelli, laddove detto spazio interno definito dal primo elemento anulare a micro ugelli ? posto in comunicazione con l?esterno in modo che l?immissione di detto fluido combustibile nel detto spazio interno definito dal detto primo elemento anulare a micro ugelli si traduce nell?immissione per aspirazione di detto fluido comburente nel detto spazio interno definito dal detto elemento anulare a micro ugelli e quindi nella miscelazione di detti fluido combustibile e fluido comburente, laddove detto scambiatore di calore comprende un elemento scambiatore tubolare conformato a definire una prima camera tubolare di combustione e scambio atta a essere investita da una fiamma generata dalla combustione di detta miscela di fluido combustibile e fluido comburente, e laddove detto elemento scambiatore tubolare ? posizionato rispetto al detto elemento miscelatore in modo che la fiamma generata dalla combustione della detta miscela di fluido combustibile e fluido comburente in uscita dal detto elemento miscelatore ? contenuta nella detta camera di combustione e scambio di detto elemento scambiatore tubolare.

Secondo una forma di realizzazione, detto primo elemento anulare a micro ugelli ? alloggiato in un contenitore formato da una flangia superiore e una flangia inferiore poste a battuta una contro l?altra a definire uno spazio interno nel quale vi ? alloggiato detto elemento anulare a micro ugelli (101), laddove detto contenitore racchiude e circonda detto elemento anulare a micro ugelli, e laddove detta flangia inferiore definisce almeno un primo canale di alimentazione in comunicazione di fluido con detti passaggi di detto primo elemento anulare a micro ugelli per l?immissione attraverso detti passaggi di detto fluido combustibile nello spazio interno definito dal detto elemento anulare s micro ugelli.

Secondo una forma di realizzazione, detto almeno un primo canale di alimentazione si estende lungo una direzione sostanzialmente perpendicolare a dette superfici parallele di detti N elementi lamellari di detto primo elemento anulare a micro ugelli, laddove detti elementi lamellari comprendono aperture passanti mediante le quali gli spazi definiti da elementi lamellari adiacenti sono posti in comunicazione, e laddove almeno una di dette aperture passanti ? posta in comunicazione con detto almeno un primo canale di alimentazione.

Secondo una forma di realizzazione, detto scambiatore di calore comprende un secondo elemento anulare a micro ugelli sovrapposto al detto primo elemento anulare a micro ugelli e formato da una pluralit? di elementi lamellari sovrapposti a definire una pluralit? di passaggi tra due elementi lamellari adiacenti, ogni elemento lamellare essendo delimitato nel senso dello spessore da due superfici parallele, laddove ognuno di detti elementi lamellari comprende una pluralit? di sporgenze che si estendono da una di dette due superfici parallele e sono disposte con regolarit? in successione lungo lo sviluppo dell?elemento, in modo che tra due elementi lamellari adiacenti siano identificabili N-1 passaggi per l?immissione di un fluido in pressione nello spazio interno definito dal detto secondo elemento anulare a micro ugelli.

Secondo una forma di realizzazione, detta flangia inferiore definisce almeno un secondo canale di alimentazione in comunicazione di fluido con detti passaggi di detto secondo elemento anulare a micro ugelli per l?immissione attraverso detti passaggi di detto fluido in pressione nello spazio interno definito dal detto secondo elemento anulare a micro ugelli.

Secondo una forma di realizzazione, detta flangia superiore e detta flangia inferiore sono dimensionate e posizionati reciprocamente in modo da definire un?intercapedine che circonda detto secondo elemento anulare a micro ugelli, laddove detto secondo canale di alimentazione sfocia nella detta intercapedine. Secondo una forma di realizzazione, il numero di elementi lamellari di detto primo elemento anulare a micro ugelli ? compreso tra cinque e cinquanta.

Secondo una forma di realizzazione, il numero di elementi lamellari di detto secondo elemento anulare a micro ugelli ? compreso tra cinque e cinquanta.

Secondo una forma di realizzazione, detta camera di combustione e scambio ? confinata da una prima camicia tubolare, laddove detta prima camicia ? alloggiata nello spazio definito e confinato da una seconda camicia, e laddove dette prima camicia e seconda camicia definiscono una seconda camera nella quale il calore generato dalla fiamma all?interno della prima camera ? ceduto a un fluido all?interno della seconda camera.

Secondo una forma di realizzazione, detto elemento scambiatore tubolare comprende una mandata per l?immissione di un liquido nella detta seconda camera e uno scarico per lo scarico da detta seconda camera del vapore derivante dal riscaldamento di detto liquido nella detta seconda camera.

Secondo una forma di realizzazione, il bordo anulare di una prima di dette due flange ha un diametro interno inferiore rispetto al diametro interno del bordo sporgente, laddove la detta prima flangia definisce un condotto centrale con dimensioni ridotte rispetto alla dimensione della superficie sostanzialmente cilindrica e interna dell?elemento anulare a micro ugelli.

Secondo una forma di realizzazione, la flangia superiore comprende una prima scanalatura che, assieme a una corrispondente scanalatura sulla flangia inferiore, definisce nella condizione assemblata dell?elemento miscelatore una gola intorno all?elemento anulare a micro ugelli che funge da intercapedine e definisce un collettore di alimentazione per l?alimentazione di un fluido all?elemento miscelatore. Secondo una forma di realizzazione, l?elemento miscelatore ? atto a essere alimentato con un combustibile come il gas metano.

Secondo una forma di realizzazione, la porzione inferiore e la porzione superiore della flangia superiore hanno in pianta una sezione a corona circolare, e la porzione centrale ha in pianta una sezione con due corone circolari concentriche, laddove la corona circolare pi? interna rappresenta il bordo sporgente, e la porzione superiore e la porzione inferiore della flangia inferiore hanno in pianta una sezione a corona circolare, mentre la porzione centrale ha in pianta una sezione con tre corone circolari concentriche, in cui la corona circolare pi? interna rappresenta il bordo anulare sporgente.

Secondo una forma di realizzazione, l?elemento anulare a micro ugelli comprende una pluralit? di anelli ognuno interposto tra due elementi lamellari consecutivi, ognuno di detti anelli essendo formato di materiale con pi? alto coefficiente di dilatazione di quello degli elementi lamellari, laddove la dilatazione di detti anelli derivante dal riscaldamento si traduce in una compressione ulteriore degli elementi lamellari dell?elemento anulare a micro ugelli.

Secondo una forma di realizzazione, detti elementi lamellari dell?elemento anulare a micro ugelli sono realizzati in acciaio inox, laddove detti anelli di materiale con pi? alto coefficiente di dilatazione sono realizzati in alluminio.

Secondo una forma di realizzazione, detto elemento miscelatore (1) permette la generazione di un vortice di una miscela di combustibile e comburente, laddove la combustione di detta miscela si traduce nella generazione di una fiamma particolarmente stabile e uniforme.

Secondo una forma di realizzazione, almeno alcuni degli elementi lamellari a corona circolare sono del tipo con aperture di passaggio che si estendono per tutto il loro spessore per la diffusione del fluido dal un elemento lamellare a quello adiacente, laddove le aperture di passaggio o passanti permettono il passaggio del fluido verso l?elemento lamellare adiacente (strato superiore) e la diffusione allo strato attuale, laddove ai lati dei fori passanti sono presenti dischetti in rilievo che assicurano il passaggio del fluido allo strato attuale, in modo che due elementi lamellari adiacenti sono in contatto reciproco solo in corrispondenza delle sporgenze e dei dischetti in rilievo, restando aperti i passaggi di fluido tra uno strato e quello successivo con diffusione del fluido allo strato attuale per la generazione del vortice.

Secondo una forma di realizzazione, almeno alcuni degli elementi lamellari a corona circolare sono del tipo con passaggi a tenuta per realizzare il passaggio completo del fluido dallo strato precedente a quello successivo senza diffusione nello strato attuale, laddove detti passaggi a tenuta sono costituiti da rispettivi fori passanti che permettono il passaggio del fluido verso lo strato superiore, laddove sul bordo di ogni foro passante ? presente un anello di tenuta in rilievo che assicura il completo passaggio del fluido allo strato superiore, due elementi lamellari adiacenti essendo in contatto reciproco solo in corrispondenza delle sporgenze e degli anelli di tenuta in rilievo.

Secondo una forma di realizzazione, dette apertura di passaggio sono intervallate con piazzole in rilievo per chiudere completamente il passaggio del fluido dallo strato precedente.

Secondo una forma di realizzazione, alcuni degli elementi lamellari a corona circolare sono del tipo misto che prevede aperture di passaggio per la diffusione del fluido dallo strato precedente a quello attuale alternati a passaggi a tenuta per realizzare il passaggio completo del fluido dallo strato precedente a quello successivo senza diffusione nello strato attuale.

Secondo una forma di realizzazione, detto elemento anulare a micro ugelli ? realizzato sovrapponendo elementi opportunamente scelti tra le quattro tipologie per realizzare i passaggi desiderati per i due fluidi da miscelare, ovvero combustibile e comburente.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

Nel seguito, la presente invenzione verr? chiarita per mezzo della descrizione dettagliata seguente delle forme di realizzazione rappresentate nelle tavole di disegno. La presente invenzione non ? peraltro limitata alle forme di realizzazione descritte nel seguito e rappresentate nelle tavole di disegno; al contrario, rientrano nello scopo della presente invenzione tutte quelle varianti realizzative delle forme di realizzazione descritte nel seguito e rappresentate nelle tavole di disegno che risulteranno ovvie a quanti esperti nel campo tecnico.

Nelle tavole di disegno:

- La Figura 1 mostra una vista prospettica di un elemento anulare a micro ugelli formato da una pluralit? di elementi lamellari sovrapposti,

- La Figura 2 mostra una vista ingrandita in pianta di una porzione di elemento lamellare,

- La Figura 3 mostra una vista ingrandita in pianta di una porzione di elemento lamellare,

- La Figura 4 mostra una vista in pianta di un elemento lamellare,

- Le Figure 5 e 6 mostrano viste in pianta di rispettivi elementi lamellari; - Le figure 7 e 8 mostrano viste in pianta di rispettivi elementi lamellari; - Le figure 9 e 10 mostra viste in pianta di un elemento lamellare e rispettivamente di un particolare dello stesso;

- le figure 11 e 12 mostrano viste in sezione di porzioni di rispettivi elementi anulari a micro ugelli;

- La Figura 12 mostra un esempio di utilizzo di anelli di materiale con pi? alto coefficiente di dilatazione,

- La Figura 13 mostra una vista in sezione longitudinale di uno scambiatore di calore secondo una forma di realizzazione;

- La figura 14 mostra uno spaccato in sezione longitudinale di uno scambiatore di calore secondo una forma di realizzazione;

- la figura 15 mostra una vista prospettica in parziale sezione longitudinale di uno scambiatore di calore secondo una forma di realizzazione;

- la figura 16 mostra uno spaccato in vista prospettica e in parziale sezione di uno scambiatore di calore secondo una forma di realizzazione.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELLA PRESENTE INVENZIONE

Come anticipato, la presente invenzione scaturisce dall?intuizione che lo statore a micro ugelli descritto nel precedente brevetto IT102018000007430 possa essere utilizzato per applicazioni diverse e non ovvie, in particolare come ulteriore componente atto a massimizzare l?efficienza della fiamma in uno scambiatore di calore.

L?intuizione di cui sopra ha quindi generato negli inventori la convinzione che lo statore a micro ugelli di tipo noto potesse essere impiegato per ottenere una buona miscelazione di due o pi? flussi di fluidi, ad esempio un combustibile e un comburente e/o un fluido in pressione (ad esempio vapore), in modo da ottenere una fiamma controllata ed efficiente, stabile, senza strappi e con una forma desiderata, detta convinzione essendo stata ampiamente confermata da studi e esperimenti svolti dagli inventori stessi.

Si ? quindi potuto dimostrare che l?elemento anulare con micro ugelli, ovvero lo statore descritto nel brevetto IT102018000007430, pu? essere utilizzato per il controllo di fluidi in movimento. Tale elemento, opportunamente contenuto in una coppia di flange, si presta particolarmente per la corretta miscelazione di un primo fluido con un secondo ed eventualmente un terzo fluido per ottenere una miscela ben composta in grado di bruciare in modo efficiente.

Con riferimento alle Figure da 1 a 4, ? illustrato un elemento anulare dotato di micro ugelli 101.

L?elemento 101 ha forma anulare sostanzialmente cilindrica ed ? costituito da una pluralit? di elementi lamellari sovrapposti 1100, ogni elemento lamellare 1100 avendo in pianta forma a corona circolare ed essendo quindi confinato da due superfici parallele conformate a corona circolare e raccordate da due superfici cilindriche concentriche.

L?elemento 101 ha forma anulare sostanzialmente cilindrica e definisce quindi o comprende una superficie sostanzialmente cilindrica e interna di diametro predeterminato 1010, e una superficie esterna sostanzialmente cilindrica di diametro predeterminato 1011, il diametro della superficie 1011 essendo ovviamente maggiore di quello della superficie interna 1010, laddove la differenza tra il raggio della superficie 1011 e quello della superficie 1010 definisce lo spessore dell?elemento 101 lungo la direzione R (figura 4) perpendicolare all?asse longitudinale di simmetria X dell?elemento 101.

Ogni elemento lamellare 1100 comprende una pluralit? di sporgenze 1103 disposte con regolarit? in successione lungo lo sviluppo circolare dell?elemento 1100, laddove ogni sporgenza 1103 si estende dalla superficie principale 1102 lungo una direzione parallela all?asse X.

Per cui, due elementi lamellari adiacenti e sovrapposti 1100 dell?elemento 101 sono in contatto reciproco solo in corrispondenza delle sporgenze 1103, laddove quindi tra due elementi lamellari adiacenti 1100 sono identificabili N-1 passaggi 1101 (dato N il numero di elementi lamellari 1103). Infine, ogni passaggio 1101 si estende dalla circonferenza interna verso il perimetro esterno dell?elemento lamellare 1100.

Inoltre (Figure 2, 3 e 4), ogni sporgenza 1103 comprende una prima porzione di estremit? 1104 disposta in corrispondenza della circonferenza interna dell?elemento lamellare 1100, e una seconda porzione di estremit? 1105 opposta alla prima porzione di estremit? 1104 e disposta a una distanza predefinita dal perimetro esterno dell?elemento lamellare 1100. In particolare, mentre la prima porzione 1104 si sviluppa sostanzialmente lungo la direttrice principale D, la seconda porzione di estremit? 1106 devia dalla detta direttrice principale D ed ? conformata a uncino con una punta di estremit? 1105 rivolta verso il perimetro esterno dell?elemento lamellare 1100. Per cui, ogni passaggio 1101 comprende un ingresso conformato a V pi? ampio verso il perimetro esterno, e un?uscita pi? stretta verso la circonferenza interna dell?elemento 1100.

Infine, come rappresentato, lungo una direzione radiale R, due sporgenze 1103 adiacenti sono parzialmente sovrapposte, la seconda porzione di estremit? 1106 di una delle due sporgenze 1103 essendo sovrapposta alla prima porzione di estremit? 1104 della seconda sporgenza 1103.

La soluzione qui proposta prevede l?utilizzo dell?elemento a micro ugelli o statore di tipo noto 101 in combinazione con due flange opportunamente sagomate in modo innovativo e non ovvio, che oltre a serrare e tenere in posizione la pluralit? di elementi lamellari sovrapposti 1100 dell?elemento anulare con micro ugelli 101, rivestono anche un altro ruolo fondamentale ovvero quello di convogliare e miscelare opportunamente i due flussi di fluidi da immettere nell?elemento miscelatore 101.

Pi? nel dettaglio, la funzione della particolare conformazione delle flange (vedasi la descrizione seguente) ? quella di imprimere la giusta deviazione al flusso di un primo fluido (combustibile, ad esempio gas GPL o metano) e di un secondo fluido (comburente, ad esempio aria) che vengono immessi nell?elemento a micro ugelli 101 in direzione assiale, nonch? quella di regolare il flusso di un terzo fluido in pressione che viene immesso nell?elemento a micro ugelli 101 in direzione radiale per alimentare una fiamma.

Con il componente miscelatore qui descritto ? pertanto possibile convogliare la fiamma senza dover introdurre parti aggiuntive a tale scopo, rendendo quindi pi? semplice la costruzione dello scambiatore di calore.

La conformazione dell?elemento anulare con micro ugelli e la forma delle flange che lo contengono permettono di ottenere un elemento miscelatore che realizza una ottima miscelazione dei due fluidi, in particolare un combustibile e un comburente, in questo modo permettendo una combustione ottimizzata con generazione di una fiamma controllata e senza strappi.

Le flange sono conformate in modo da permettere l?immissione di un fluido in pressione (ad esempio aria o vapore) nello spazio interno (confinato dalla superficie cilindrica interna) dell?elemento a micro ugelli. L?immissione del detto fluido in pressione cos? come quella del combustibile nello spazio interno dell?elemento a micro ugelli 101 avvengono attraverso i passaggi 1101 tra due elementi adiacenti conformati a corona circolare 1100.

Nelle Figure da 5 a 10 sono illustrate diverse forme di realizzazione degli elementi lamellari a corona circolare 1100.

In particolare secondo la forma di realizzazione di figura 5 l?elemento lamellare 1100 comprende una pluralit? di fori di passaggio F1 che si estendono ognuno per tutto lo spessore dell?elemento 1100 e quindi tra le superfici piane parallele e opposte conformate a corona circolare che delimitano l?elemento 1100 in direzione assiale e quindi nella direzione dell?asse longitudinale di simmetria X.

I fori F1 sono previsti per permettere la circolazione di un fluido tra gli spazi definiti dagli elementi lamellari sovrapposti 1100. Immaginando infatti il caso (Fig.11) di tre elementi lamellari sovrapposti 1100 di cui quello intermedio comprensivo di almeno un foro passante F1, ? chiaro che un fluido in transito nello spazio S1 sovrastante l?elemento intermedio 1100 pu? confluire nello spazio sottostante S2, laddove allo stesso modo un fluido in transito nello spazio S2 sottostante l?elemento intermedio 1100 pu? confluire nello spazio sovrastante S1. A tale scopo, ogni foro F1 ? circondato da una pluralit? di distanziali puntiformi F12 di altezza o spessore pari all?altezza o spessore delle sporgenze 1103, laddove due elementi lamellari adiacenti 1100 sono a contatto in corrispondenza delle sporgenze 1103 e dei distanziali puntiformi F12

Viceversa, la forma di realizzazione di figura 6 ? concepita per regolare il flusso di un fluido tra gli spazi definiti da elementi lamellari adiacenti 1100.

In questo caso infatti, ogni foro F1 ? circondato da un anellino in rilievo F13 di altezza o spessore pari all?altezza o spessore delle sporgenze 1103. Si evince quindi che nel caso (Fig.12) di tre elementi lamellari sovrapposti 1100 di cui quello intermedio comprensivo di almeno un foro passante F1 con relativo anellino di tenuta F13, ? chiaro che un fluido in transito nello spazio S1 sovrastante l?elemento intermedio 1100 non pu? confluire nello spazio sottostante S2, laddove allo stesso modo un fluido in transito nello spazio S2 sottostante l?elemento intermedio 1100 non pu? confluire nello spazio sovrastante S1 ma solo nello spazio confinato dall?anellino F13 e dall?elemento lamellare sovrastante 1100.

Due elementi lamellari adiacenti 1100 saranno in contatto reciproco solo in corrispondenza delle sporgenze 1103 e degli anellini in rilievo F13.

In questo modo restano aperti i passaggi di fluido tra uno strato e quello successivo e avviene la diffusione del fluido allo strato attuale per la generazione del vortice. Nel caso poi, anche l?elemento lamellare superiore 1100 comprenda un foro passante F1 (si veda il tratteggio in figura 14), il foro F1 nell?elemento lamellare intermedio 1100 in combinazione con il foro F1 dell?elemento lamellare superiore 1100 permettono il flusso di un fluido in transito nello spazio S2 sottostante l?elemento intermedio 1100 direttamente nello spazio S3 sovrastante l?elemento superiore 1100 senza diffusione nello spazio S1 tra l?elemento intermedio 1100 e l?elemento superiore 1100.

In Figura 7 vi ? illustrato un elemento lamellare 1100 del tipo con fori di passaggio F1 (circondati da distanziali puntiformi F12) per la diffusione del fluido dallo strato (spazio) precedente a quello attuale (si veda la descrizione precedente), detti fori F1 essendo alternati a piazzole P in rilievo (di altezza o spessore pari all?altezza o spessore delle sporgenze 1103) in corrispondenza delle quali viene inibito il passaggio del fluido dallo strato precedente.

In Figura 8 ? illustrato un elemento lamellare 1100 del tipo con passaggi a tenuta (fori passanti F1 circondati da rispettivi anellini in rilievo F12) per realizzare il passaggio completo del fluido dallo strato precedente a quello successivo senza diffusione nello strato attuale, come nell?elemento 1100b, detti fori F1 essendo alternati a piazzole P in rilievo in corrispondenza delle quali viene inibito il passaggio del fluido dallo strato precedente. E? anche possibile una forma di realizzazione (non rappresentata) nella quale l?elemento lamellare 1100 non comprende fori F1 (aperti) ma soltanto fori del chiusi mediante rispettiva piazzole P, detti fori chiusi essendo completamente a tenuta, laddove alternando sui vari elementi lamellari 1100 la posizione dei fori aperti F1 con quelli chiusi P (sovrapponendo in direzione assiale i fori F1 a quelli P, gli spazi tra gli elementi lamellari 1100 risultano essere alternativamente accessibili e non accessibili per un fluido in transito nello spazio adiacente.

Nel caso si desideri rendere ermetico lo spazio tra due elementi lamellari adiacenti 1100, baster? inserire un elemento lamellare con soli fori ciechi P.

Le Figure 9 e 10 mostrano una forma di realizzazione di elemento lamellare 1100 e rispettivamente una porzione dello stesso nella quale i fori passanti F1 sono alternativamente circondati da distanziali puntiformi F12 e anellini in rilievo F13. Pertanto, l?elemento anulare a micro ugelli 101 pu? essere realizzato sovrapponendo elementi 1100 opportunamente scelti tra le quattro tipologie sopra descritte per realizzare i passaggi desiderati per i due fluidi da miscelare, ovvero combustibile e comburente.

Nel seguito, con riferimento alle figure da 13 a 16 verr? descritta una forma di realizzazione di uno scambiatore di calore ivi identificato dal numero di riferimento 1000.

Come rappresentato, lo scambiatore 1000 comprende due elementi a micro ugelli 101 sovrapposti secondo la direzione assiale X e reciprocamente distanziati da un anello distanziatore , laddove gli elementi 101 e il distanziatore 102 sono alloggiati nello spazio interno 105 definito da una flangia superiore 103 e una flangia inferiore 104 reciprocamente posizionate in modo che l?insieme formato dai due elementi a micro ugelli 101 e dal distanziatore 102 disposto tra di essi sia bloccato nel detto spazio interno 105 definito dalle flange 103 e 104 in posizione di reciproco assemblaggio (figura 13).

In particolare, la flangia superiore 103 ? delimitata da una prima superficie superiore di estremit? 1030 conformata a corona circolare, una seconda superficie cilindrica interna 1031, una terza superficie inferiore di estremit? 1032 conformata a corona circolare, una quarta superficie cilindrica esterna 1033, una quinta superficie intermedia 1035 conformata a corona circolare e una sesta superficie cilindrica esterna 1034, laddove la detta sesta superficie cilindrica esterna 1034 raccorda (si estende tra) le dette prima superficie superiore di estremit? 1030 e quinta superficie intermedia 1035, la detta quarta superficie cilindrica esterna 1033 raccorda (si estende tra) dette quinta superficie intermedia 1035 e terza superficie inferiore di estremit? 1032, e la seconda superficie cilindrica interna 1031 raccorda (si estende tra) dette prima superficie superiore di estremit? 1030 e terza superficie inferiore di estremit? 1032, e laddove quindi la detta prima flangia 103 comprende un corpo principale dal quale di estende in direzione assiale una sporgenza anulare 1036 confinata radialmente dalla seconda superficie cilindrica interna 1031 e dalla quarta superficie cilindrica esterna 1033, nonch? assialmente dalla terza superficie inferiore di estremit? 1032.

La flangia inferiore 104 ? delimitata da una settima superficie superiore di estremit? 1040 conformata a corona circolare, un?ottava superficie cilindrica esterna 1041, una nona superficie inferiore di estremit? 1042 conformata a corona circolare, una decima superficie cilindrica interna 1043, una undicesima superficie intermedia 1045 conformata a corona circolare e una dodicesima superficie cilindrica interna 1044, laddove la detta ottava superficie cilindrica esterna 1041 raccorda (si estende tra) le dette settima superficie superiore di estremit? 1040 e nona superficie inferiore di estremit? 1042, la detta decima superficie cilindrica interna 1043 raccorda (si estende tra) dette settima superficie superiore di estremit? 1040 e undicesima superficie intermedia 1045, e la dodicesima superficie cilindrica interna 1044 raccorda (si estende tra) dette nona superficie inferiore di estremit? 1042 e undicesima superficie intermedia, e laddove quindi la detta seconda flangia 104 comprende un corpo principale dal quale di estende in direzione radiale una sporgenza anulare 1046 confinata radialmente dalla detta dodicesima superficie cilindrica interna 1044 e assialmente da dette nona superficie di estremit? 1042 e undicesima superficie intermedia 1045.

Con lo scambiatore di calore 1000 completamente assemblato (figure 13 e 15) la sporgenza anulare 1036 della flangia superiore 103 ? alloggiata nello spazio interno 1047 definito dalla flangia inferiore 104 assieme agli elementi a micro ugelli 101 e al distanziatore 102, la quinta superficie intermedia 1035 della flangia superiore 103 essendo posta a contatto con la settima superficie superiore di estremit? 1040, laddove gli elementi a micro ugelli 101 e il distanziatore 102 sono compressi tra la terza superficie inferiore di estremit? 1032 della flangia superiore 103 e la undicesima superficie intermedia 1045 della flangia inferiore 104. Come rappresentato, il diametro della quarta superficie cilindrica esterna 1033 della flangia superiore 103 ? pari o leggermente inferiore al diametro della decima superficie cilindrica interna della flangia inferiore 104, laddove il diametro della superficie cilindrica interna 1010 di ognuno degli elementi a micro ugelli 101, cos? come il diametro interno del distanziatore anulare 102 corrispondono sostanzialmente al diametro della seconda superficie cilindrica interna (flangia superiore 103) e della dodicesima superficie cilindrica interna 1044 (flangia inferiore).

Nelle figure da 13 a 16 i riferimenti 201, 202 e 203 indicano rispettivamente un primo otturatore troncoconico, un secondo otturatore troncoconico e un terzo otturatore troncoconico comprensivi di una prima superficie troncoconica 2010, una seconda superficie troncoconica 2020 e rispettivamente una terza superficie troncoconica 2030. Gli otturatori 201, 202 e 203 sono posti in corrispondenza della flangia inferiore 104, della flangia superiore 103 e all?uscita dell?elemento tubolare 300, ognuno degli otturatori 291, 202, 203 essendo traslabile in direzione longitudinale (parallela all?asse X) laddove la posizione del primo otturatore 201 rispetto alla flangia inferiore 104 regola la quantit? o flusso di aria o gas in entrata nella flangia inferiore 104, quella del secondo otturatore 202 la quantit? di o flusso della miscela di fluidi in uscita dalla flangia superiore 103, mentre quella del terzo otturatore 203 regola la quantit? o flusso dei fumi di combustione in uscita dall?elemento tubolare 300.

Ancora come rappresentato, la flangia inferiore comprende un condotto passante 1048 che si estende tra l?ottava superficie cilindrica esterna 1041 e la decima superficie cilindrica interna 1043, in questo modo mettendo in comunicazione lo spazio interno 1047 con l?esterno; inoltre, il condotto passante 1048 ? posizionato in corrispondenza della superficie esterna di uno degli elementi a micro ugelli 101, laddove gli elementi a micro ugelli 101 comprendono almeno alcuni elementi lamellari 1100 con fori o ape4rture passanti F12.

Nelle figure da 13 a 16, il riferimento 400 indica una condotta che si dirama in due derivazioni 401 ognuna delle quali ? posta in comunicazione con una rispettiva apertura passante 1049 che si estende tra l?undicesima superficie intermedia 1045 e la nona superficie di estremit? 1042.

Infine, l?elemento tubolare 300 comprende due camicie cilindriche coassiali, in particolare una camicia cilindrica interna 301 e una camicia cilindrica esterna 302 reciprocamente raccordate a definire una camera posta in comunicazione con l?esterno mediante una mandata 304 e uno scarico 305.

Il funzionamento dello scambiatore di calore 1000 secondo la forma di realizzazione rappresentata nelle figure da 13 a 16 pu? essere riassunto come segue.

Mediante la condotta di alimentazione 400, le rispettive derivazioni 401 e le aperture passanti 1049, un gas combustibile viene immesso in quello dei due elementi a micro ugelli 101 posto a contatto con l?undicesima superficie intermedia 1045, laddove comprendendo almeno alcuni degli elementi lamellari 1100 uno o pi? fori passanti F1, il gas combustibile si diffonde tra gli spazi definiti da elementi lamellari adiacenti 1100 e quindi nello spazio interno confinato dalla superficie cilindrica interna 1010 dell?elemento a micro ugelli 101.

Posizionando opportunamente il primo otturatore 201 si regola la quantit? di comburente (ad esempio aria) aspirata attraverso la flangia inferiore a causa dei vortici generati dal comburente immesso nell?elemento a micro ugelli 101 secondo le modalit? descritte in precedenza.

Mediante il condotto 1048 un fluido in pressione, ad esempio vapore, viene immesso nel secondo elemento a micro ugelli 101 disposto tra il distanziatore 102 e la terza superficie di estremit? della flangia superiore 103. Il vapore si diffonde quindi negli spazi definiti da elementi lamellari adiacenti 1100 e quindi nello spazio interno confinato dalla superficie cilindrica interna 1010 dell?elemento a micro ugelli 101. L?immissione del gas combustibile e del vapore, unitamente all?aspirazione del comburente secondo le modalit? precedenti si traducono nella generazione di un flusso di una miscela in movimento verso l?interno dell?elemento tubolare 300, in particolare verso l?interno della camicia interna 301, laddove incendiando la detta miscela di combustibile e comburente all?uscita della flangia superiore 103 si genera una fiamma che si estende nella camicia interna. E? quindi evidente che immettendo un liquido, ad esempio acqua, nella camera 303 dell?elemento tubolare 300 attraverso la mandata 304, lo scambio di calore tra l?interno della camicia 301 e la camera 303 (favorito dal materiale della camicia interna 301) si traduce nella generazione di vapore all?interno della camera 303, laddove il vapore generato pu? essere prelevato allo scarico 305 e inviato a un?utenza per essere utilizzato.

Si ? quindi dimostrato che lo scambiatore di calore secondo la forma di realizzazione rappresentata nelle figure e descritta in precedenza permette di raggiungere gli scopi prefissati superando gli inconvenienti riscontrati negli scambiatori di calore secondo l?arte nota.

Infatti, nello scambiatore di calore rappresentato nelle figure da 13 a 16 la miscela di carburante e comburente avanza all?interno della camicia 301 secondo un flusso elicoidale, e quindi con velocit? sostanzialmente perpendicolare all'asse X della camicia 301, laddove la detta traiettoria elicoidale porta a due grossi vantaggi: data la traiettoria curva ? presente una forza centrifuga che schiaccia i gas sulla superficie interna della camicia 301, in questo modo migliorando il contatto e quindi lo scambio termico; inoltre la traiettoria elicoidale permette di ottenere un cammino molto lungo della miscela che quindi ha lo spazio per poter ottenere uno scambio di calore ottimale anche se il suo moto non ? turbolento.

Alla prova pratica, lo scambiatore 1000 di calore secondo la forma di realizzazione di cui alle figure da 13 a 16 ha permesso di trasferire circa 10 kW di potenza termica da gas combusti ad acqua con una superficie di scambio inferiore ai 3 dm<2>, questi numeri essendo solitamente irraggiungibili mediante scambiatori gas/liquido (dove il diverso stato dei fluidi non aiuta).

Naturalmente, fermo restando il principio dell?invenzione, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, non limitativo, senza per questo uscire dall?ambito di tutela.

Ad esempio, come rappresentato nelle figure 15 e 16, la flangia superiore 303 pu? essere conformata e dimensionata in modo da definire un?intercapedine tra la superficie esterna dell?elemento a micro ugelli 101 e la seconda superficie cilindrica interna 1031 in modo da migliorare la penetrazione del vapore all?interno dell?elemento 101. Inoltre, ancora come rappresentato nelle figure 15 e 16 il condotto 1048 di immissione del fluido in pressione (vapore) pu? essere realizzato nella flangia superiore 103 e essere posizionato in prossimit? dell?elemento lamellare 101 posto pi? vicino all?elemento tubolare 300.

E ancora, uno o due o tutti gli otturatori 201, 202 e 203 possono assumere forme diverse, ad esempio presentare una doppia conicit? come l?otturatore 202 (fig.16) e/o presentare conicit? rivolta non gi? verso la flangia inferiore 104 ma in senso contrario come l?otturatore 201.

Infine, ? possibile prevedere un ulteriore distanziatore 500 interposto tra la flangia superiore 103 e l?elemento a micro ugelli 101, una o entrambe le flange 103 e 104 potendo presentare geometrie interne atte ad alloggiare e bloccare gli elementi a micro ugelli 101 e/o il distanziatore 102 e/o il distanziatore 500.

L? ambito della presente invenzione ? quindi definito dalle rivendicazioni.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1) Scambiatore di calore (1000) comprensivo di un elemento miscelatore atto a miscelare almeno un fluido combustibile e un fluido comburente, caratterizzato dal fatto che detto elemento miscelatore comprende un primo elemento anulare a micro ugelli (101) formato da una pluralit? di elementi lamellari (1100) sovrapposti a definire una pluralit? di passaggi (1101) tra due elementi lamellari (1100) adiacenti, ogni elemento lamellare (1100) essendo delimitato nel senso dello spessore da due superfici parallele, laddove ognuno di detti elementi lamellari (1100) comprende una pluralit? di N sporgenze (1103) che si estendono da una di dette due superfici parallele e sono disposte con regolarit? in successione lungo lo sviluppo dell?elemento lamellare (1100), in modo che tra due elementi lamellari (1100) adiacenti siano identificabili N-1 passaggi (1101) per l?immissione di detto fluido combustibile nello spazio interno (1200) definito dal detto primo elemento anulare a micro ugelli (101), laddove detto spazio interno (1200) definito dal detto primo elemento anulare a micro ugelli (101) ? posto in comunicazione con l?esterno in modo che l?immissione di detto fluido combustibile nel detto spazio interno (1200) definito dal detto primo elemento anulare a micro ugelli (101) si traduce nell?immissione per aspirazione di detto fluido comburente nel detto spazio interno (1200) definito dal detto primo elemento anulare a micro ugelli (101) e quindi nella miscelazione di detti fluido combustibile e fluido comburente, dal fatto che detto scambiatore di calore comprende un elemento scambiatore tubolare (300) conformato a definire una prima camera tubolare di combustione e scambio (306) atta a essere investita da una fiamma generata dalla combustione di detta miscela di fluido combustibile e fluido comburente, e dal fatto che detto elemento scambiatore tubolare (300) ? posizionato rispetto al detto elemento miscelatore in modo che la fiamma generata dalla combustione della detta miscela di fluido combustibile e fluido comburente in uscita dal detto elemento miscelatore ? contenuta nella detta camera di combustione e scambio (307) di detto elemento scambiatore tubolare (300).

2) Scambiatore di calore (1000) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto primo elemento anulare a micro ugelli (101) ? alloggiato in un contenitore formato da una flangia superiore (103) e una flangia inferiore (104) poste a battuta una contro l?altra a definire uno spazio interno nel quale vi ? alloggiato detto primo elemento anulare a micro ugelli (101), dal fatto che detto contenitore racchiude e circonda detto primo elemento anulare a micro ugelli (101), e dal fatto che detta flangia inferiore (104) definisce almeno un primo canale di alimentazione (1049) in comunicazione di fluido con detti passaggi (1101) di detto primo elemento anulare a micro ugelli (101) per l?immissione attraverso detti passaggi (1101) di detto fluido combustibile nello spazio interno (1200) definito dal detto primo elemento anulare a micro ugelli (101).

3) Scambiatore di calore (1000) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto almeno un primo canale di alimentazione (1049) si estende lungo una direzione sostanzialmente perpendicolare a dette superfici parallele di detti N elementi lamellari (1100) di detto primo elemento anulare a micro ugelli (101), dal fatto che detti elementi lamellari (1100) comprendono aperture passanti (F1) mediante le quali gli spazi definiti da elementi lamellari (1100) adiacenti sono posti in comunicazione, e dal fatto che almeno una di dette aperture passanti (F1) ? posta in comunicazione con detto almeno un primo canale di alimentazione (1049.

4) Scambiatore di calore (1000) secondo una delle rivendicazioni 2 e 3, caratterizzato dal fatto di comprendere un secondo elemento anulare a micro ugelli (101) sovrapposto al detto primo elemento anulare a micro ugelli (101) e formato da una pluralit? di N elementi lamellari (1100) sovrapposti a definire una pluralit? di passaggi (1101) tra due elementi lamellari (1100) adiacenti, ogni elemento lamellare (1100) essendo delimitato nel senso dello spessore da due superfici parallele, laddove ognuno di detti elementi lamellari (1100) comprende una pluralit? di sporgenze (1103) che si estendono da una di dette due superfici parallele e sono disposte con regolarit? in successione lungo lo sviluppo dell?elemento lamellare (1100), in modo che tra due elementi lamellari (1100) adiacenti siano identificabili N-1 passaggi (1101) per l?immissione di un fluido in pressione nello spazio interno (1200) definito dal detto secondo elemento anulare a micro ugelli.

5. Scambiatore di calore (1000) secondo la rivendicazione 4, caratterizzato dal fatto che detta flangia inferiore (104) definisce almeno un secondo canale di alimentazione (1048) in comunicazione di fluido con detti passaggi (1101) di detto secondo elemento anulare a micro ugelli (101) per l?immissione attraverso detti passaggi (1101) di detto fluido in pressione nello spazio interno (1200) definito dal detto secondo elemento anulare a micro ugelli (101).

6. Scambiatore di calore (1000) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detta flangia superiore (103) e detta flangia inferiore (104) sono dimensionate e posizionate reciprocamente in modo da definire un?intercapedine che circonda detto secondo elemento anulare a micro ugelli (101), e dal fatto che detto secondo canale di alimentazione (1048) sfocia nella detta intercapedine.

7. Scambiatore di calore (1000) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto che il numero di elementi lamellari (1100) di detto primo elemento anulare a micro ugelli (101) ? compreso tra cinque e cinquanta.

8. Scambiatore di calore (1000) secondo una delle rivendicazioni da 4 a 7, caratterizzato dal fatto che il numero di elementi lamellari (1100) di detto secondo elemento anulare a micro ugelli (101) ? compreso tra cinque e cinquanta.

9. Scambiatore di calore (1000) secondo una delle rivendicazioni da 1 a 8, caratterizzato dal fatto che detta camera di combustione e scambio (306) ? confinata da una prima camicia tubolare (301), dal fatto che detta prima camicia tubolare (301) ? alloggiata nello spazio definito e confinato da una seconda camicia tubolare (302), dal fatto che dette prima camicia (301) e seconda camicia (302) definiscono una seconda camera (303) nella quale il calore generato dalla fiamma all?interno della prima camera (306) ? ceduto a un fluido all?interno della seconda camera.

10. Scambiatore di calore (1000) secondo la rivendicazione 9 caratterizzato dal fatto che detto elemento scambiatore tubolare (300) comprende una mandata (304) per l?immissione di un liquido nella detta seconda camera (303) e uno scarico (305) per lo scarico da detta seconda camera (303) del vapore derivante dal riscaldamento di detto liquido nella detta seconda camera (303).